ТЕХНОЛОГИИ

---

Валерий Спиридонов,
ведущий научный сотрудник ЦИВТИ

Топливные элементы (ТЭ) относятся к химическим источникам энергии, в которых энергия химических реакций непосредственно преобразуется в электрический ток. Как известно, существуют три типа химических источников тока:
– гальванические элементы (ГЭ) (одноразовое использование),
– аккумуляторные батареи (АБ) (многоразовое использование);
– топливные элементы (вырабатывающие ток по мере подачи реагентов). Их еще называют электрохимическими генераторами.
Первые два типа источников тока известны достаточно хорошо и широко используются, чего нельзя сказать о ТЭ, которые эксплуатируются в основном пока на космических аппаратах, хотя область возможного их применения значительно шире, чем у ГЭ и АБ. Она определяется условиями протекания химической реакции, основными характеристиками и конструктивными особенностями ТЭ.
В отличие от аккумуляторных батарей (которые являются вторичными источниками энергии) ТЭ не требуют перезарядки. Компоненты реакции в них заранее не закладываются, как это имеет место в ГЭ, которые после израсходования компонентов приходится выбрасывать. В ТЭ топливо и окислитель подаются по мере необходимости, т.е. тогда, когда необходим электрический ток.
Типовой ТЭ имеет два электрода – анод и катод, разделенные электролитом. На катоде осуществляется процесс получения ионов кислорода, которые через электролит переходят на анод, где вступают в реакцию с водородом, содержащимся в поступающем топливе, а освобождающиеся электроны поступают в цепь нагрузки.
В 1989-1993 гг. американским специалистам удалось решить целый ряд принципиальных проблем и осуществить технологический прорыв, содержание которого заключается в:
– оптимизации процесса протекания химической реакции в топливном элементе в результате повышения эффективности катализа;
– обеспечении невосприимчивости к загрязнениям и отработке методов их удаления;
– использовании новых материалов и конструктивно-схемных решений.
В целом разработки, проведенные за последние 10 лет, позволили:
– увеличить площадь реакции и величину тока, снимаемого с единицы поверхности электродов (до 11 000 А/м2 при работе с чистым водородом и кислородом и до 4300 А/м2 – с воздухом и водородсодержащим газом);
– продлить срок непрерывной эксплуатации ТЭ до 5 лет;
– повысить эффективность преобразования энергии в электричество до 60…85 % (при утилизации выделяемого тепла) и удельную энергоемкость до 460…585 Вт?ч/кг;
– значительно расширить диапазон используемых топлив;
– снизить стоимость ТЭ.
Наиболее распространенным классификационным признаком ТЭ является вид электролита. Выделяют семь основных типов топливных элементов.
В щелочных ТЭ (ТЭЩ) электролитом является едкий калий (КОН). Такие ТЭ использовались на космических аппаратах (КА) "Джемини", "Аполлон", "Спейс Шаттл". Они отличаются надежностью, имеют большую выходную мощность и малые габариты. Основным их недостатком является то, что KOH реагирует с двуокисью углерода, что затрудняет протекание реакции и требует тщательной очистки воздуха и топлива от СО2. На КА для этого использовался чистый кислород, для широкого применения такой процесс слишком дорог.
В фосфорнокислотных ТЭ (ТЭФК) электролит Н3РО2 не реагирует с СО2, и задача по очистке снимается. Эффективность преобразования энергии топлива в электричество составляет около 40 %. При комбинированном варианте использования, т.е. при утилизации выделяемого тепла (рабочая температура ТЭ составляет 204 оС) в турбогенераторах, эффективность достигает 85 %. ТЭФК первыми поступили на коммерческий рынок. Созданы и продаются портативные блоки с выходным напряжением 24 В и мощностью 250 Вт, пригодные для обеспечения питанием радиоаппаратуры и телевизоров. В США производятся блоки ТЭ мощностью 200 кВт для электростанций. Эти блоки были закуплены Японией для электростанции мощностью 11 МВт. Подобные установки планируется использовать в домах, на передвижных электростанциях, а также в качестве источников энергии для автобусов, электровозов и морских судов.
В ТЭ на расплаве солей угольной кислоты (карбонатов) (ТЭРК) в качестве электролита используется карбонат калия К2СО3 или карбонат лития Li2CO3. Рабочая температура, при которой электролит становится хорошим проводником, составляет 650 оС. Эффективность ТЭРК достигает 60 %, а при комбинированном варианте использования – более 80 %. Стоимость подобных ТЭ, как считается, будет ниже стоимости ТЭ на фосфорной кислоте. В штате Калифорния построено несколько маломощных электростанций, которые проходят сейчас всесторонние эксплуатационные испытания. Прорабатываются варианты использования ТЭРК на электростанциях, работающих на газе, получаемом при газификации угля, на тяжелых транспортных средствах и судах.
ТЭ на твердых окислах (твердый электролит) (ТЭТО) используют в качестве электролита окись иттрия, стабилизированную двуокисью циркония (Y2O3, ZrO2). Этот твердый керамический материал работает при температуре около 1000 оС. Процесс изготовления этих ТЭ можно автоматизировать. Эффективность преобразования энергии достигает 60 %, в комбинированном варианте – более 80 %. В качестве топлива может использоваться метан – основной компонент природного газа. Упрощенные требования к подготовке топлива, высокая удельная мощность, небольшая стоимость будут способствовать внедрению их на тяжелые транспортные средства.

К 2000 г. МЭ США планирует снизить стоимость электростанции на ТЭ до $1000…1500 в расчете на 1 кВт мощности, что соответствует стоимости эксплуатируемых сегодня электростанций, и приступить к серийному строительству электростанций мощностью 300…500 МВт.
В настоящее время ведется проектирование автомобиля, использующего топливные элементы. Ожидается, что к 2000 г. «автомобильные» ТЭ будут иметь следующие характеристики:
– удельную мощность 330 Вт/кг;
– отношение мощности к объему 330 Вт/л;
– КПД примерно 51 %;
– время готовности к движению (разогрев) из холодного состояния 5 мин;
– стоимость – не более чем $50 за 1 кВт.
Перечисленные характеристики обеспечат конкурентоспособность автомобилей с ТЭ на коммерческом рынке. Серийное производство автобусов и легковых автомобилей, использующих ТЭ, запланировано развернуть в период 2003-2007 гг.

Реализация намеченных планов должна обеспечить национальную безопасность США в ХХI веке за счет:
– создания энергетических и транспортных средств нового поколения (КПД двигателя современного автомобиля – 20 %, КПД ТЭ на протонных мембранах – 40…60 %) двойного назначения (военного и гражданского);
– создания универсальных многотопливных модульных источников тока с КПД от 60 % до 90 %, что повысит эффективность и живучесть энергетической системы;
– выхода на массовое применение экологически чистых источников энергии и транспортных средств;
– обеспечения к 2020 г. независимости США от импорта нефтепродуктов и газа;
– захвата доминирующего положения на рынке источников энергии и транспортных средств принципиально нового поколения.